Stardust: миссия NASA по сбору кометной пыли¶
Stardust — автоматическая межпланетная станция Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA), созданная для изучения состава кометы 81P/Вильда и сбора образцов кометного вещества и межзвёздной пыли. Аппарат был запущен 7 февраля 1999 года с мыса Канаверал ракетой-носителем Delta II и стал первой в истории миссией, доставившей на Землю образцы вещества с кометы, а также первым аппаратом, вернувшим на планету внеземной материал после миссии «Аполлон».
¶Цели и конструкция
Основными научными целями миссии являлись: сбор твёрдых частиц из комы кометы 81P/Вильда, сбор образцов межзвёздной пыли, а также выполнение детальной фотосъёмки ядра кометы для изучения его морфологии и геологических процессов. Дополнительной задачей была доставка на Землю возвращаемой капсулы с собранным материалом для последующего лабораторного анализа.
Космический аппарат был разработан компанией Lockheed Martin на базе платформы SpaceProbe. Сухая масса станции составляла около 300 килограммов, полная масса с топливом — приблизительно 385 килограммов. Электропитание обеспечивалось двумя солнечными батареями размахом около 4,8 метра, вырабатывавшими до 330 ватт мощности в точке сближения с кометой. Связь с Землёй осуществлялась через параболическую антенну с высоким коэффициентом усиления диаметром 0,6 метра.
Ключевым научным инструментом аппарата была коллекторная панель, заполненная аэрогелем — пористым кремниевым материалом с плотностью около 0,005 грамма на кубический сантиметр. Аэрогель позволял замедлять и захватывать высокоскоростные частицы пыли, не разрушая их структуру. Панель имела две стороны: одна предназначалась для сбора кометной пыли во время пролёта сквозь кому, другая — для сбора межзвёздных частиц в течение длительных сеансов ориентации аппарата в межпланетном пространстве. Общая площадь коллектора составляла около 1039 квадратных сантиметров.
Для анализа состава пыли в момент столкновения с коллектором использовался времяпролётный масс-спектрометр CIDA (Cometary and Interstellar Dust Analyzer), регистрировавший ионные компоненты частиц. Фотосъёмка ядра кометы велась навигационной камерой с ПЗС-матрицей разрешением 1024×1024 пикселя. Управление ориентацией аппарата обеспечивалось системой звёздных датчиков и гироскопов.
¶Ход миссии
После запуска Stardust совершил гравитационный манёвр в поле тяготения Земли в январе 2001 года, что позволило скорректировать траекторию для сближения с целью. В период с февраля по май 2000 года и с августа по декабрь 2002 года аппарат выполнял сбор межзвёздной пыли, ориентируя коллекторную панель в направлении предполагаемого потока частиц, приходящих из межзвёздной среды.
2 января 2004 года станция пролетела на расстоянии около 236 километров от ядра кометы 81P/Вильда. Во время сближения относительная скорость аппарата и кометы составляла примерно 6,1 километра в секунду. В момент максимального сближения коллекторная панель была развёрнута для захвата частиц, а камера выполнила серию снимков поверхности ядра с разрешением до 18 метров на пиксель. Пролёт позволил обнаружить на поверхности ядра многочисленные кратеры, газовые струи и плоские участки, что указывало на сложную геологическую историю тела.
После сближения коллекторная панель была убрана в возвращаемую капсулу, которая 15 января 2006 года отделилась от аппарата и вошла в атмосферу Земли. Спуск осуществлялся на парашюте, капсула приземлилась на испытательном полигоне в штате Юта, США. Общая масса доставленного материала составила около 300 миллиграммов кометных частиц и примерно 100 частиц межзвёздной пыли, размеры которых не превышали нескольких микрометров.
¶Научные результаты
Анализ доставленных образцов проводился в лабораториях NASA и в исследовательских центрах по всему миру. В составе кометной пыли были обнаружены минералы, формирующиеся при высоких температурах, — оливин, пироксен и анортит, что свидетельствует о том, что часть вещества кометы образовалась вблизи Солнца на ранних этапах формирования Солнечной системы. Также были выявлены органические соединения, включая аминокислоту глицин и другие пребиотические молекулы. Наличие этих соединений подтвердило гипотезу о том, что кометы могли доставлять на молодую Землю органические вещества, необходимые для возникновения жизни.
Изотопный анализ благородных газов в образцах показал, что часть материала кометы имеет состав, отличный от солнечного, что указывает на его формирование в различных регионах протопланетного диска. Исследование межзвёздных частиц выявило присутствие кристаллических силикатов и соединений, устойчивых к воздействию космического излучения, что позволило уточнить модели эволюции межзвёздной среды.
Кратеры, зафиксированные на ядре кометы 81P/Вильда, оказались значительно больше предсказанных моделями, что привело к пересмотру представлений о прочности и пористости кометного вещества. Обнаруженные газовые струи были связаны с активными зонами на поверхности, а плоские участки интерпретированы как области, покрытые крупнозернистым материалом, осевшим после выбросов вещества.
¶Продолжение миссии и наследие
После отделения возвращаемой капсулы аппарат Stardust остался на гелиоцентрической орбите. В 2007 году NASA одобрило продление миссии под названием Stardust-NExT (New Exploration of Tempel 1). Целью нового этапа стало сближение с кометой 9P/Темпел, которая ранее была объектом исследования зонда Deep Impact. 14 февраля 2011 года аппарат пролетел на расстоянии около 181 километра от ядра кометы Темпел, передав снимки поверхности, включая кратер, образованный ударным зондом Deep Impact в 2005 году. Сравнение изображений позволило оценить масштабы изменений поверхности кометы за прошедшие годы. После завершения этого этапа связь со станцией была прекращена 24 марта 2011 года.
Миссия Stardust заложила основу для последующих программ по доставке внеземного вещества, включая японскую миссию «Хаябуса» по возврату образцов астероида Итокава и миссию OSIRIS-REx, доставившую образцы астероида Бенну. Методология захвата частиц аэрогелемом и методики лабораторного анализа, разработанные в ходе миссии, применяются в планетологии и при исследовании метеоритов.